Schweizer Forschungsunternehmen plant Markteinführung von Festkörperbatterie

Die Forscher des schweizerischen Bundesamts für Materialforschung und -technologie (EMPA) haben ein Spin-off-Unternehmen namens BTRY gegründet, mit dem sie ihre Festkörperbatterie auf den Markt bringen wollen.

Fortschrittliche Technologie

In einer Pressemitteilung erklärten die Forscher, dass es an der Zeit sei, die Batterietechnologie neu zu überdenken. Im Vergleich zu anderen bestehenden oder sich entwickelnden Technologien kann ihre Lithiummetall-basierte Festkörperbatterie in einer Minute aufgeladen und entladen werden. Sie hält etwa zehnmal länger als eine Lithium-Ionen-Batterie und ist unempfindlich gegenüber Temperaturschwankungen.

Verbesserte Sicherheit

Darüber hinaus ist das neue Gerät im Gegensatz zu Lithium-Ionen-Batterien nicht brennbar. Falsche Handhabung oder Beschädigung einer herkömmlichen Lithium-Ionen-Zelle kann zu einem Brand führen, bei dem giftige Gase freigesetzt werden und der äusserst schwer zu löschen ist.

Die Technologie

Die neue Batterie ist eine sogenannte Dünnschicht-Festkörperbatterie. Die Technologie selbst ist nicht neu – solche Batterien sind bereits seit den 1980er Jahren bekannt. Aufgrund der sehr geringen Masse ihrer Dünnschichtkomponenten – die gesamte Zelle ist nur wenige Mikrometer dick – konnten sie bisher jedoch nur sehr wenig Energie speichern. Das BTRY-Forschungsteam, angeführt von Abdessalem Aribia und Moritz Futscher, ist jedoch erfolgreich darin, die Dünnschichtzellen übereinander zu stapeln, um ihre Kapazität zu erhöhen.

Anwendungsbereiche

Das macht die Batterie sehr vielversprechend für kommerzielle Anwendungen. Die Dünnschichtzellen werden mittels Vakuumbeschichtung hergestellt. Das bedeutet, dass die gewünschten Materialien in einer Vakuumkammer atomisiert werden, um einzelne Atome zu bilden, die dann in einer präzise gesteuerten Schicht auf das Zielsubstrat abgeschieden werden. Diese hochpräzise Herstellungsmethode hat auch den Vorteil, dass keine giftigen Lösungsmittel benötigt werden.

Technische Herausforderungen

Allerdings macht sie die Dünnschichtbatterie auch teurer. Die Forscher sehen daher ihre Anwendung hauptsächlich in Produkten, bei denen die Batterie nur einen kleinen Teil der Gesamtkosten des Geräts ausmacht, wie beispielsweise in Smartphones, Smartwatches oder Satelliten. Die Vorteile dieser Technologie überwiegen dort den höheren Preis.

Zukünftige Entwicklungen

Bevor die ersten Dünnschichtbatterien ins All fliegen oder Smartphones mit Strom versorgen, gibt es auf administrativer und technischer Seite noch viel zu tun. In den nächsten zwei Jahren planen die Forscher, sowohl die Oberfläche der Batterie als auch die Anzahl der Schichten zu erhöhen.

„Derzeit bestehen unsere Batterien nur aus zwei Schichten von etwa 1×3 Millimetern“, sagt Aribia. „Als Nächstes möchten wir eine Batterie von etwa einem Quadratzentimeter mit zwei bis drei Schichten herstellen. Damit können wir noch keinen Satelliten antreiben, aber wir können sehr gut zeigen, dass unsere Technologie skalierbar ist.“

Neues Material könnte die Entwicklung leistungsstarker Festkörperbatterien erleichtern

Ein Forschungsteam der Technischen Universität München hat eine Materialklasse mit überdurchschnittlicher Leitfähigkeit entdeckt, die zur Entwicklung leistungsstarker Festkörperbatterien führen könnte.

Vorteile von Festkörperbatterien

Festkörperbatterien enthalten keine Flüssigkeit, im Gegensatz zu herkömmlichen wiederaufladbaren Batterien, bei denen Lithiumionen durch einen flüssigen Elektrolyten von der Anode zur Kathode und zurück wandern. Der Elektrolyt in Festkörperbatterien ist ein fester Stoff, der weder auslaufen noch brennen kann. Darüber hinaus hilft dieser feste Elektrolyt, das Batteriegewicht zu reduzieren, was es theoretisch zu einer idealen Alternative macht.

Die Herausforderung

„In der Praxis konnten die bisher verfügbaren Festkörperelektrolyte, meist oxidische Keramiken oder auf Schwefel basierende Verbindungen, die Erwartungen nicht vollständig erfüllen“, sagte Thomas Fässler, dessen Team an der TUM auf der Suche nach effizienteren Elektrolyten ist. „Das Problem besteht darin, dass Lithiumionen nur langsam durch feste Materialien diffundieren. Unser Ziel war es, den Ionen-Transport besser zu verstehen und dieses Wissen zu nutzen, um die Leitfähigkeit zu erhöhen.“

Die Entdeckung

Das Ergebnis ihrer Bemühungen ist ein kristallines Pulver, das überdurchschnittlich leitfähig für Lithiumionen ist. Es enthält kein Schwefel, sondern Phosphor, Aluminium und einen vergleichsweise hohen Anteil an Lithium. Laboruntersuchungen haben gezeigt, dass diese zuvor übersehene Substanzklasse eine hohe Leitfähigkeit aufweist.

Weitere Forschung

Die Chemiker konnten innerhalb kurzer Zeit etwa ein Dutzend neuer verwandter Verbindungen herstellen, die beispielsweise Silizium oder Zinn anstelle von Aluminium enthalten. Diese breite neue Materialbasis ermöglicht es, Material-Eigenschaften schnell zu optimieren.

Einblick in den Prozess

Um herauszufinden, warum diese Elemente so gute Ionenleiter sind, griffen Fässler und seine Kollegen auf Neutronenstrahlen zurück, um die Prozesse zu beobachten, die innerhalb ihrer Kristalle stattfinden.

Forschungspotenzial

„Ich wünsche Ihnen eine interessante Lektüre“

„Wir haben bereits eine Vielzahl von Mitgliedern der neuen und vielfältigen Familie der festen Lithiumionenleiter untersucht“, sagte Anatoliy Senyshyn, der das Pulverdiffraktometer an der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz beaufsichtigt, das zur Analyse des neuen Elektrolytmaterials verwendet wurde. „In der Vergangenheit hatten wir bereits eine Vielzahl von Mitgliedern der neuen und vielfältigen Familie der festen Lithiumionenleiter untersucht. Wir können die Neutronenbeugung nutzen, um zu visualisieren, wie die Ionen den freien Raum im Kristallgitter nutzen, um sich zu bewegen.“

Schlussfolgerung

Die synthetisierten Pulver sind daher vielversprechende Elektrolyt-Kandidaten für zukünftige Festkörperbatterien. „Unsere Grundlagenforschung hat das Potenzial, die Entwicklung von leistungsstärkeren Batterien zu beschleunigen“, so Fässler.

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